Etude du comportement chemo-mécanique des pâtes de ciment soumises à des réactions sulfatiques externes modérées avec et sans pré-fissuration

Chemo-mechanical behavior of cement pastes subjected to a moderate external sulfate attack with and without pre-cracking

• Auteur / Autrice : Julie Pouya
• Direction : Laurent de Windt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences et géoingénierie
• Date : Soutenance le 03/02/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de géosciences (Fontainebleau, Seine et Marne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Burlion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent de Windt, Céline Cau Dit Coumes, Jean-Michel Torrenti, Benoît Bary, Ellina Bernard, Laurie Lacarrière, Mejdi Neji
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Céline Cau Dit Coumes, Jean-Michel Torrenti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déchets radioactifs -- Élimination dans le sol

Gypse

Matériaux -- Fissuration

Plâtrières (sites d'extraction)

Mots clés libres

Attaque sulfatique

Pâte de ciment

Couplage chemo-Mécanique

Expérimentation

Transport réactif

Fissuration

Gypse

Homogénéisation analytique

HYTEC

XPER

Sulfate attack

Cement paste

Chemo-Mechanical couplingg

Experiment

Reactive transport

Cracking

Gypsum

Analytical homogenization

HYTEC

XPER

Résumé

La dégradation des matériaux cimentaires par les sulfates demeure un enjeu majeur, notamment dans le cadre du stockage profond des déchets radioactifs. Cette thèse se focalise sur la compréhension et la modélisation des processus chemo-mécaniques (précipitation minérale, décalcification, fissuration, expansion) intervenant lors d'une réaction sulfatique externe (RSE) modérée. Des essais d'attaque sulfatique (Na2SO4, 30 mmol/L) ont été réalisés sur des pâtes de ciment CEM I (E/C 0,5) riches et pauvres en C3A, dont certaines pré-fissurées, en système confiné ou ouvert. La caractérisation expérimentale multi-technique (DRX, MEB-EDS, microtomographie, microindentation, autoradiographie) de ces échantillons révèlent systématiquement leur décalcification et la formation de gypse et d'ettringite. L'apparition de fissures dans la zone de formation de gypse et de dissolution de la portlandite dans le cas de pâtes riches mais également pauvres en C3A suggère une participation active de la précipitation de gypse dans le mécanisme d'expansion. La modélisation du transport réactif avec HYTEC complète la discussion sur la compétition entre l'hydrolyse, la précipitation du gypse et de l'ettringite.L'évolution des propriétés mécaniques, notamment la diminution du module de Young dans la zone dégradée, sont ensuite estimées par un schéma d'homogénéisation. Enfin, la modélisation chemo-mécanique avec XPER montre l'accélération de la dégradation chimique et mécanique causée par la pré-fissure.

Durability of concrete exposed to an external sulfate attack (ESA) remains a great concern for long-time reliability of nuclear waste containment. The aim of this thesis is to understand and model the chemo-mechanical processes involved during a moderate external sulfate attack. Sound and pre-cracked, rich and poor C3A CEM I cement pastes (W/C 0,5) were immersed in a 30 mmol/L Na2SO4 solution in confined and open conditions. A multi-technical characterization (XRD, SEM-EDS, microtomography, microindentation, autoradiography) showed that cement paste decalcification occurred systematically, as well as the formation of ettringite and gypsum. Cracking occurred for both C3A-rich and poor pastes in the zone of gypsum formation and portlandite dissolution, suggesting that gypsum has a key effect on the expansion. Reactive transport modeling using HYTEC supported the discussion on the competition between hydrolysis, gypsum and ettringite precipitation. The evolution of mechanical properties, e.g the decrease of the Young's modulus in the degraded zone, was then estimated by a homogenization scheme. Finally, the modeling of experimental results of pre-cracked degraded samples performed with XPER showed the acceleration of chemical and mechanical degradation caused by pre-cracking.